Sống trong thế giới hiện đại như ngày nay, chúng ta tiếp xúc với rất nhiều loại tín hiệu và dưới nhiều dạng khác nhau. Có các tín hiệu rất cần thiết như âm thanh, hình ảnh hay các tín hiệu giải trí như âm nhạc .v.v. Bên cạnh cũng luôn tồn tại các tín hiệu khó chịu hoặc không cần thiết trong hoàn cảnh riêng nào đó, mà ta gọi đó là nhiễu. Xử lý tín hiệu là trích lấy, tăng cường, lưu trữ và truyền thông tin có ích mà con người cần quan tâm trong vô vàn thông tin có ích cũng như vô ích đồng thời phải loại bỏ nhiễu, để từ đó có được thông tin mà không mất đi tính trung thực của thông tin gốc. Trong các hướng đi và các cách giải quyết khác nhau cho vấn đề nêu trên, thì lĩnh vực xử lý tín hiệu số( DSP) mỗi ngày càng phát triển mạnh mẽ và vững vàng. Trong đó không thể không nhắc tới vai trò của các bộ lọc, nhất là các bộ lọc nhiễu. Trong đồ án này, em thực hiện nghiên cứu về bộ lọc thích nghi, một loại lọc nhiễu được ứng dụng trong rất nhiều hệ thống thực tế. Đây là loại bộ lọc có thuật toán thay đổi để thích ứng được với tín hiệu vào. Đồ án gồm 3 chương: Chương 1: Giới thiệu về bộ lọc số. Chương 2: Nội dung nghiên cứu bộ lọc thích nghi. Chương 3: Mô phỏng ứng dụng bộ lọc thích nghi.  Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án Nghiên cứu bộ lọc thích nghi, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG --- iso 9001:2008 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Người hướng dẫn: Thạc sỹ Nguyễn Văn Dương Sinh viên : Phan Thùy Ninh HẢI PHÕNG - 2010 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG --- NGHIÊN CỨU BỘ LỌC THÍCH NGHI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH : ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Người hướng dẫn : Thạc sỹ Nguyễn Văn Dương Sinh viên : Phan Thùy Ninh HẢI PHÕNG - 2010 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ------ NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Phan Thùy Ninh . Mã số : 100218. Lớp : ĐT1001. Ngành: Điện tử viễn thông. Tên đề tài : Nghiên cứu bộ lọc thích nghi. 3 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ). …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. 4 …………………………………………………………………….. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ và tên : Nguyễn Văn Dương Học hàm, học vị: Thạc sỹ. Cơ quan công tác : Trường Đại học Dân lập Hải Phòng. Nội dung hướng dẫn :.............................................................................................. …………………………………………………………..................……… …….. ……………………………………………………………………................ .….. ……………………………………………………………….................… …….. ……………………………………………………………….................… …….. Người hướng dẫn thứ hai: Họ và tên :............................................................................................................... Học hàm, học vị :.................................................................................................... Cơ quan công tác :.................................................................................................. Nội dung hướng dẫn :.............................................................................................. ……………………………………………………………….................… …….. 5 …………………………………………………………….................…… …….. ……………………………………………………………….................… …….. Đề tài tốt nghiệp được giao ngày ....... tháng ....... năm 2010. Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày ....... tháng ....... năm 2010. Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Hải Phòng, ngày ....... tháng ....... năm 2010. HIỆU TRƯỞNG GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp: …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. 6 2. Đánh giá chất lượng của đồ án ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T.T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu...): …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. 3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn (ghi cả số và chữ) : …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. Hải Phòng, ngày ....... tháng ....... năm 2010. Cán bộ hướng dẫn PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN 1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. 7 …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. 2. Cho điểm của cán bộ phản biện. (Điểm ghi cả số và chữ). …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………….. Hải Phòng, ngày ....... tháng ....... năm 2010. Người chấm phản biện 8 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 0 Chương 1: BỘ LỌC SỐ .................................................................................. 11 1.1. Hệ thống FIR ............................................................................................ 12 1.2. Hệ thống IIR ............................................................................................. 13 Chương 2: BỘ LỌC THÍCH NGHI ............................................................... 17 2.1. Bộ lọc FIR thích nghi dạng trực tiếp ........................................................ 17 2.1.1. Tiêu chuẩn lỗi trung bình bình phương tối thiểu (MMES) ................... 18 2.1.2. Thuật toán Widrow LMS ..................................................................... 20 2.1.3. Thuộc tính của thuật toán LMS ............................................................. 24 2.1.4. Thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy .............................................. 21 2.1.5. Các thuộc tính của thuật toán RLS dạng trực tiếp ............................... 37 2.2. Bộ lọc thích nghi dạng thang lưới ............................................................ 39 2.2.1. Thuật toán thang lưới bình phương tối thiểu hồi qui ............................ 39 2.2.2. Thuật toán thang lưới Gradient ............................................................. 61 2.2.3. Thuộc tính của thuật toán thang lưới .................................................... 66 Chương 3: MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG CỦA BỘ LỌC THÍCH NGHI ... 68 3.1 Sơ đồ mô phỏng ........................................................................................ 68 3.2 Hoạt động ................................................................................................. 69 KẾT LUẬN .................................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 62 9 LỜI NÓI ĐẦU Sống trong thế giới hiện đại như ngày nay, chúng ta tiếp xúc với rất nhiều loại tín hiệu và dưới nhiều dạng khác nhau. Có các tín hiệu rất cần thiết như âm thanh, hình ảnh hay các tín hiệu giải trí như âm nhạc .v.v. Bên cạnh cũng luôn tồn tại các tín hiệu khó chịu hoặc không cần thiết trong hoàn cảnh riêng nào đó, mà ta gọi đó là nhiễu. Xử lý tín hiệu là trích lấy, tăng cường, lưu trữ và truyền thông tin có ích mà con người cần quan tâm trong vô vàn thông tin có ích cũng như vô ích đồng thời phải loại bỏ nhiễu, để từ đó có được thông tin mà không mất đi tính trung thực của thông tin gốc. Trong các hướng đi và các cách giải quyết khác nhau cho vấn đề nêu trên, thì lĩnh vực xử lý tín hiệu số( DSP) mỗi ngày càng phát triển mạnh mẽ và vững vàng. Trong đó không thể không nhắc tới vai trò của các bộ lọc, nhất là các bộ lọc nhiễu. Trong đồ án này, em thực hiện nghiên cứu về bộ lọc thích nghi, một loại lọc nhiễu được ứng dụng trong rất nhiều hệ thống thực tế. Đây là loại bộ lọc có thuật toán thay đổi để thích ứng được với tín hiệu vào. Đồ án gồm 3 chương: Chương 1: Giới thiệu về bộ lọc số. Chương 2: Nội dung nghiên cứu bộ lọc thích nghi. Chương 3: Mô phỏng ứng dụng bộ lọc thích nghi. Em xin cảm ơn thày Nguyễn Văn Dương, giảng viên hướng dẫn, đã rất nhiệt tình chỉ bảo để em hoàn thành đề tài nghiên cứu này, cũng như các thày cô khác trong bộ môn đã tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian làm đề tài. Hải Phòng, ngày 12 tháng 07 năm 2010 Sinh viên Ninh Phan Thùy Ninh 10 11 Chương 1. BỘ LỌC SỐ Bộ lọc số là hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian. Thông số vào và ra của hệ thống quan hệ với nhau bằng tổng chập Y(Z)=H(Z).X(Z) (1.1.1) Chuyển đổi miền Z của đáp ứng xung đơn vị H(Z) được gọi là hàm hệ thống. Biến đổi Fourier của đáp ứng xung đơn vị H(ej ) là một hàm phức của , biểu diễn theo phần thực và phần ảo là H(e j )=Hr(e j )+jHi(e j ) (1.1.2) Hoặc biểu diễn dưới dạng góc pha: jeHjjj eeHeH arg . (1.1.3) Một hệ thống tuyến tính bất biến nhân quả là dạng có h(n)=0 với n<0. Một hệ thống ổn định là dạng với tất cả các thông số đưa vào hữu hạn sẽ có thông số ra hữu hạn. Điều kiện cần và đủ cho một hệ thống tuyến tính bất biến ổn định là: n nh (1.1.4) Thêm vào đó, tất cả các hệ thống tuyến tính bất biến có các thông số vào và ra như các bộ lọc thoả mãn phương trình sai phân có dạng: M r r N k k rnxbknyany 01 (1.1.5) Chuyển đổi sang miền Z cả hai vế của phương trình ta được: N k k k M r r r Za Zb ZX ZY ZH 1 0 1 (1.1.6) So sánh hai phương trình trên, từ phương trình sai phân (1.1.3) ta có thể đạt được H(Z) trực tiếp bằng cách đồng nhất các hệ số của phần tử vào trễ trong (1.1.5) với các luỹ thừa tương ứng Z-1. Hàm hệ thống H(Z) là một hàm hữu tỉ của Z-1. Nó có thể được biểu diễn bằng dạng điểm cực và điểm không trong mặt phẳng Z. Như vậy H(Z) có thể viết dạng: 12 N k k M r r Zd ZcA ZH 1 1 1 1 1 1 (1.1.7) Như chúng ta đã xét trong miền Z, hệ thống nhân quả sẽ có miền hội tụ dạng 1RZ . Nếu hệ thống cũng là ổn định thì R1 phải nhỏ hơn giá trị đơn vị, do đó miền hội tụ bao gồm là vòng tròn đơn vị. Như vậy trong hệ thống bất biến, nhân quả thì tất cả các điểm cực của H(Z) phải nằm trong vòng tròn đơn vị. Để thuận tiện, ta phân thành các lớp hệ thống, những lớp này bao gồm hệ thống đáp ứng xung hữu hạn (Finit duration Impulse Response_FIR), và hệ thống đáp ứng xung vô hạn (Infinit duration Impulse Response_IIR). 1.1. Hệ thống FIR Phương trình sai phân sẽ là: M r r rnxbny 0 (1.1.8) chúng ta thấy rằng: l¹i cßn n c¸c víi 0 Mn0 nb nh (1.1.9) Hệ thống FIR có rất nhiều thuộc tính quan trọng, trước tiên chúng ta chú ý rằng H(Z) chỉ có điểm không là một đa thức của Z-1 và tất cả các điểm cực của H(Z) đều bằng không, tức là H(Z) chỉ có điểm không. Thêm nữa, hệ thống FIR có thể có chính xác pha tuyến tính. Nếu h(n) xác định theo công thức sau nMhnh (1.1.10) thì H(e j ) có dạng ZMjjj eeAeH . (1.1.11) H(e j ) chỉ có phần thực hoặc phần ảo tuỳ thuộc vào phương trình (1.1.10) lấy dấu (+) hay dấu (-). Dạng pha tuyến tính chính xác thường rất hữu ích trong các ứng dụng xử lý âm thanh, khi mà xác định thứ tự thời gian là cần thiết. Các thuộc tính này của bộ lọc FIR cũng có thể đơn giản hoá vấn đề xấp xỉ, nó chỉ xét đến khi đáp ứng độ lớn cần thiết. Khoảng sai số mà được bù để thiết kế các bộ lọc với đáp ứng xung pha tuyến tính chính xác là phần mà một khoảng thời gian tồn tại 13 đáp ứng xung phù hợp được yêu cầu để xấp xỉ phần nhọn bộ lọc bị cắt đi. Dựa trên những thuộc tính chung với bộ lọc FIR pha tuyến tính, người ta đã phát triển ba phương pháp thiết kế xấp xỉ. Những phương pháp này là: - Thiết kế cửa sổ - Thiết kế mẫu tần số - Thiết kế tối ưu Chỉ có phương pháp đầu tiên là phương pháp phân tích, thiết kế khối khép kín tạo bởi các phương trình có thể giải để nhận được các hệ số bộ lọc. Phương pháp thứ hai và phương pháp thứ ba là phương pháp tối ưu hoá, nó sử dụng phương pháp lặp liên tiếp để được thiết kế bộ lọc Hình 1.1. Mạng số cho hệ thống FIR Bộ lọc số thường được biểu diễn dạng biểu đồ khối, như hình (1.1) ta biểu diễn phương trình sai phân (1.1.8). Sơ đồ như vậy thường được gọi là một cấu trúc bộ lọc số. Trên sơ đồ, biểu diễn các toán tử yêu cầu tính giá trị mỗi dãy ra từ giá trị của dãy đưa vào. Những phần tử cơ bản của sơ đồ biểu diễn ý nghĩa phép cộng, nhân các giá trị của dãy với hằng số (các hằng số trên nhánh hàm ý phép nhân), và chứa các giá trị trước của dãy vào. Vì vậy biểu đồ khối đưa ra chỉ dẫn rõ ràng về tính phức tạp của hệ thống. 1.2. Hệ thống IIR Nếu hàm hệ thống của phương trình (1.1.7) có các điểm cực cũng như điểm không, thì phương trình sai phân (1.1.5) có thể viết: M r r N k k rnxbknyany 01 (1.1.12) Phương trình này là công thức truy hồi, nó có thể được sử dụng để tính giá trị của dãy ra từ các giá trị trước đó của thông số ra và giá trị hiện tại, trước đó của dãy đầu vào. Nếu M |
